[科普中国]-中国火星探测工程

火星探测的意义

火星是太阳系第四颗行星，属于类地行星，直径为地球的一半。与地球相比，火星地质活动不活跃，地表地貌大部分形成于远古时期。火星探测的主要科学意义首先体现在探索火星生命存在的证据，这是目前人类火星探测的重要课题之一。已有的探测结果表明，火星目前的环境不适合生命的存在，但火星上有干枯的河川和水流的痕迹，这说明远古时期，火星可能存在过生命。其次是对火星本底磁场长期演变的探测，这对研究地球磁场的长期演化具有重要的借鉴意义，而揭示火星磁场长期演变的规律，也有利于了解火星外部环境演变的机制。对火星大气和气候的演化过程的研究也是火星探测的主要目标之一，这一演变不仅关系到火星环境的变化，同时对研究火星上生命存在与消失问题也很关键。

目前对火星大气的研究可以通过探测器与地球测站进行掩星测量，以及通过火星大气探测载荷进行直接测量。最后一个重要的科学研究目标是，火星地貌和地质特征分析及其与地球的比较分析。火星表面有密布的陨石坑、火山和峡谷，包括太阳系最高的山——奥林帕斯山和最大的峡谷——水手号峡谷。火星另一个独特的地形特征是南北半球的明显差别：南方是古老、充满陨石坑的高地，北方则是较年轻的平原。火星两极有水冰与干冰组成的极冠，并随着季节消长。目前研究火星地貌的主要数据源是火星探测器传回的遥感影像及光谱数据.2

探测内容中国未来将进行深空探测，探测太阳系、火星、小行星等，探寻地外生命信息。

针对火星的探测任务，主要包括探索火星的生命活动信息，包括火星过去、现在是否存在生命，火星生命生存的条件和环境以及对生命起源和地外生命的探测。3

针对火星本体的科学研究，将包括对火星磁层、电离层和大气层的探测与环境科学，包括火星的地形、地貌特征与分区，火星表面物质组成与分布，地质特征与构造区划；对于火星内部结构、成分，火星的起源与演化也将进行进一步的研究和探索。欧阳自远表示，在以“为人类社会的持续发展服务”的总目标下，将探讨火星的长期改造与今后大量移民建立人类第二个栖息地的可能性。

当前的计划显示，火星的探测将实行轨道器加火星车的联合探测方式，计划将在2020年实现火星的着陆巡视，在2030年实现火星的采样返回。4

阶段任务整个计划共分四个阶段：

阶段1：（～2009年）会对第一次任务进行充足准备，包括定立探测目标、技术研发和寻求国际合作。

阶段2：（2009年2020）探测火星环境，所得的数据用作火星软着陆之用。

阶段3：2020年发射火星着陆器并携带一辆火星车，在火星上软着陆。[2]

阶段4：成立火星表面观察站、发展飞行器穿梭地球与火星、并且建立火星基地供机械探测器进入。此阶段的最终目标是为将来人类登陆火星提供基础，令人类可在火星观察站中观察火星。5

“萤火一号”火星探测器基本信息2011年11月9日4时16分，中国“萤火一号”火星探测器搭载在俄罗斯“福布斯-土壤”探测器内部，由俄罗斯“天顶号”运载火箭在哈萨克斯坦拜科努尔发射场点火发射。

“萤火一号”由航天科技集团公司所属上海航天技术研究院抓总研制，携带等离子体探测包、磁强计、掩星接收机、光学成像仪等4种探测仪器。“萤火一号”搭载进入环绕火星轨道与“福布斯-土壤”探测器分离后，双方将配合开展掩星探测试验。

“萤火一号”主要科学探测目标是对火星的空间磁场、电离层和粒子分布变化规律，以及火星大气离子逃逸率进行探测。此外，还将探测火星地形地貌、沙尘暴以及火星赤道附近的重力场。6

“萤火一号”探测器长、宽各约75厘米，高60厘米。两侧太阳帆板展开近8米，质量约115公斤，设计寿命2年。探测器上携带等离子体探测包、光学成像仪、磁通门磁强仪、掩星探测接收机等4类有效载荷。它将对火星进行为期一年的在轨探测，其任务包括探测火星及其空间环境、揭示类行星空间演化特征等。7

萤火一号是中国火星探测计划中的第一颗火星探测器。火星在古代被称为“荧惑”，中国第一颗火星探测器取其谐音，命名为“萤火一号”。上海卫星工程研究所从2007年6月中俄正式签署合作协议后，开始接到制作任务而和时间展开赛跑，原计划2009年10月探测器正式发射，研制时间只有两年多，这是中国自主研制的首个火星探测器的实体等大模型，它体重仅110公斤，本体长75厘米、宽75厘米、高60厘米，将携带照相机、磁强计等八件武器，肩负中国首次地外行星空间环境探测的重任。

火星探测项目是继载人航天工程、探月工程之后中国又一个重大空间探索项目，也是我国首次开展的地外行星空间环境探测活动。首个火星探测器“萤火一号”原定于2009年10月搭载俄罗斯运载火箭，与俄罗斯的“福布斯－土壤”火星探测器结伴奔向火星，但由于种种非技术原因推迟发射。陈昌亚表示，行程推迟后，由于火星每两年才靠近地球一次，“萤火一号”须等到2011年发射。他们目的是，做好这颗探测器的延寿工作，定期检测各个元件是否老化，确保两年后的成功发射。

据了解，发射将采用一箭双星方式，即“萤火一号”和俄罗斯探测器“福布斯”一起搭乘运载火箭飞向火星，到达火星轨道后再分开。探测器上携带有等离子体探测包、光学成像仪、磁通门磁强计、掩星探测接收机等四类有效载荷。 虽然俄罗斯提供了很多帮助，但也因此带来了局限。“由于这次是俄方设计的轨道，这给我们探测器的研究增加了许多要求，我们必须面对“长火影”（长期火星阴影）。”陈昌亚告诉记者，国际上的火星探测器一般不走赤道这种轨道，但由于与俄罗斯探测器捆绑一起，这种探测器要到火卫1必须借助赤道轨道寻机着陆，而将“萤火一号”仍留在大椭圆赤道轨道上，从而将面临探测史以来最长的8.8小时“长火影”。

从2007年6月开始，“萤火一号”的研制花了两年时间，上海的科研团队共攻克了探测器的5项关键技术。陈昌亚说，由于“萤火一号”搭载的俄罗斯火箭还要把该国的探测器送往火星卫星，中国的探测器不得不进入赤道轨道，这就给上海科研人员提出了很大的挑战——“萤火一号”将面临长达8小时48分钟火星阴影，也就是说，它会在这段时间内得不到来自太阳的能量，周围温度达到摄氏零下200度以下。中国科研人员为此研发了“休眠－唤醒”技术，多次试验表明，经过8小时48分钟休眠后，只要加电唤醒，它所有16台单机均能恢复正常工作。而另一个难题是，火星距离地球近则六七千万公里，远则4亿公里，与地面测控站的往返“对话”需44分钟。因此，大多数情况下，“萤火一号”必须“自己管自己”，“萤火一号”的外太空测控技术已经完全成熟。

2011年11月8日，“萤火1号”与俄罗斯的采样返回探测器一起发射升空，开始对火星的探测研究。11月9日，俄方宣布福布斯－土壤号火星探测器变轨失败。受此影响，中国航天科技集团公司载人航天工程办公室主任童旭东表示两年内不会再有新动作。1

发射意义最神奇的还是有着“万里传音”本领的掩星探测技术，届时，“萤火一号”将与俄方的“火卫一探测器”合作开展双星对火星电离层的掩星探测，这意味着两颗探测器虽然分处在远离地球的火星两端，相隔千里万里，有可能有星体相阻隔，但是依然能通过掩星探测接收机等实现彼此之间数据的共享，从而可以实现对处在正午和子夜时的火星电离层的探测，这将填补国际上火星电离层掩星探测的空白。

“‘萤火一号’将会通过围绕火星飞行完成探测。”陈昌亚昨天强调，不同于中国的“嫦娥”探月工程，“萤火一号”并不会登陆火星的表面，而是在火星轨道上收集各种科学数据，然后通过远距离传输技术，不断把数据传回给中国的地面科研人员。最后，“鞠躬尽瘁”的“萤火一号”将不会再返回它的故乡，而是将永远地留在浩瀚的太空。

研制难点计划第一步有两颗探测器卫星，中方及俄方各发射一颗。中方的萤火一号原预计于2009年搭载俄罗斯的联盟号运载火箭发射。该年6月，宣布推迟到2011年发射。82009年10月，中国也将加入探测火星的队伍，向火星发射“萤火一号”。但真正实现“绕，落，回”三步计划，还有很长的路要走。

在航天界，火星有航天器的坟墓之称，火星探测初期有三分之二的探测器都以失败告终。

首先要解决运载火箭的难题，要让探测器脱离地球引力必须达到第二宇宙速度11.2公里/秒，这样才能确保探测器不奔向其他天体”，焦维新指出，而中国运载“嫦娥”的火箭的速度只有10.9公里/秒。（长征五号服役后这个问题可得到解决)

中俄联合火星探测副总设计师陈昌亚指出另一个难题，探测器的信号对地面指挥尤其重要，“一旦捕获探测器的信号，就像听到新生婴儿落地一样。”但在茫茫太空，信号十分微弱，“没有信号就无法判断探测器是否进入轨道，也无法对探测器飞行作出调整。”焦维新说，这需要建立深空探测网，但中国还没有建立起像美国那样覆盖全球的深空探测网。“仅靠我们自己的国土现有的探测网和少量的探测船是不够的。”

探月工程时中国已经建立了一定规模的深空探测网。3

在火星重力场探测中的贡献“萤火1号”将以小倾角大偏心率高轨道运行，主要科学目标是进行火星的电离层掩星观测，分析研究火星电离层特征及其与太阳风的交互作用，同时也用于研究火星重力场及其时变特征。“萤火1号”轨道特征有利于研究赤道区域重力场以及火星低阶带谐项系数。目前用于火星重力场模型的卫星跟踪数据主要来自于低轨、极轨、圆轨道卫星，这一特征的轨道主要有利于解算中高阶位系数，结合MEX和“萤火1号” 两颗大偏心率卫星轨道的跟踪数据， 则可以改进低阶项求解精度。“萤火1号”运行过程中主要受到的摄动力是火星的非球形摄动，这一轨道高度受到的大气阻力可以忽略不计。已有的火星探测器的轨道跟踪数据主要局限在极轨和高倾角轨道。“萤火1号” 的轨道是首个轨道面接近火星赤道面的低倾角轨道，其轨道跟踪数据可以在轨道倾角方面对已有的跟踪数据进行补充，有利于降低低阶带谐项系数的相关性，并且由于其运行过程中姿态调整频率较低，飞行器主要处于自由飞行状态，适合长弧段定轨，这有助于改进当前对火星重力场低阶次位系数的了解，同时考虑到已在轨运行的MGS 、Mars Odyssey以及MRO、MarsGRACE等探测器，将可以获得时段长度达十多年的轨道跟踪数据。这些丰富的数据可以用于探测火星重力场低阶项的时变规律，可以分辨出低阶项更长周期的变化规律，这一分析将有利于进一步揭示火星表面季节性质量变迁、火星大气运行以及两者交互作用的机理。2

第二次立项中国计划2020年发射一个整体金黄色的探测器抵达火星，试图发现火星表面的外星生命迹象。

第17届中国国际工业博览会首次亮相这款火星探测器，它是由中国航天科技集团公司研制的中国火星探测器模型。该太空任务是发射一个探测器至火星轨道，之后发射一个较小的登陆器至火星表面。

上海航天技术研究院人造卫星专家牛升达解释称，该探测顺将完成两项任务，首次在火星轨道负责采集数据，其次勘测潜在的着陆地点。这就是为什么此次太空任务同时装配轨道飞行器和登陆器。

中国航天科技集团公司公布了这款火星探测器设计，它由两个主要部分构成——下方六面体为轨道器，顶部锥形结构为着陆器。此次展示的探测器模型与实物比例是1：3。

2014年珠海航展上中国航天科技集团展出了火星探测环绕器。

2014年11月9号在第十届中国国际航空航天博览会上展示的火星探测系统火星巡视器原尺寸模型，即俗称的“火星车” 。

2016年1月11日，中国火星探测任务获批准立项。1

2016年8月23日，中国火星探测计划全球征名计划开始。

2017年1月16日，中国火星探测工程名称和图形标识全球征集活动于15日在京举行初评会议，评选出工程名称和图形标识前8强。8个入选工程名称分别是“凤凰、天问、腾龙、麒麟、朱雀、火星、追梦、凤翔”；同时评选出8个入围图形标识作品。以上入围名称和图形标识将于20日提交新华网、腾讯网接受公众投票。9

工程名称和图形标识的特点一是体现了中华民族文化的传承和深厚内涵。从所征集的作品和说明中可以发现，很多作品特别是图形标识的提交者参阅了大量书籍资料，在作品中引入了中国传统的太极两仪、阴阳五行、易经八卦、天人合一、天圆地方、甘石星经等思想观念，注入了中国龙、火凤凰、朱雀、玄武、青龙、白虎等古老图腾，添加了麒麟、貔貅、赤兔、熊猫等文化元素，还有“盘古创世”、“夸父逐日”、“后羿射日”、“敦煌飞天”、“火神祝融”、“战神荧惑”等神话传说。在图形设计上，有源于朱鸟临星、篆刻印章、京剧脸谱、蝴蝶风筝、大红灯笼，有中国结、莲花瓣、浑天仪等造型演变，还有云头纹、几何纹、饕餮纹、文字纹、动物纹等巧妙运用，反映了中华民族文化传统的深厚内涵。

二是体现了火星探测工程的理念和技术特点。在提交的作品特别是图形标识中，很多以运载火箭、发射瞬间、飞行轨迹、行星轨道、火星表征等构图，展示了火星探测工程的基本要素；有的以多种形式表明我国首次火星探测任务，要突破火星进入、下降、着陆、巡视、远距离测控通信等关键技术；还有一些以“火星脸”、探测器、火星车等构型，更直接表达了一步实现“绕、着、巡”首次任务的目标。在以火星车为基本元素的构思中，有太阳能帆板幻化的蜻蜓构型，有表达凤凰涅槃、浴火重生凤舞九天构型，更多以中国龙的腾飞配以其他背景代表龙的传人造访火星。在作品提交的说明中，表明构图中的外星人象征着火星探测寻找地外生命的期待，引入自由飞翔的和平鸽更是凸显了中国和平利用太空、增进人类福祉的美好愿望。

三是体现了传统文化与现代科技的有机融合。最能代表中国传统文化的是中国象形文字，提交的图形标识中以甲骨文、金文、大篆、小篆、狂草、行草等多种形态的“火”字，成为最多的造型元素；以各种形态的“火”字图形，配以代表传统文化的各种背景，突出了极具东方神韵的文化精髓。而以“中国火星探测工程”英文字母缩写CMEP为主体，也巧妙独特地设计于各种不同作品，表达了意义不一、丰富多彩的含义。再以火星天文符号“♂”，加上实施首次任务的时间2020，进行各种演绎变化，还有以简单的问号作为创作原型，体现了向天求索之意。图形标识的色彩运用以暖色为主，但不同的图形配以不同的颜色，其内涵表义也是千变万化，体现了传统文化与现代科技的交融。

四是体现了对中华民族伟大复兴的美好期望。这不仅表现在中华飞天、火曜中华、华夏复兴、中国梦、追梦、圆梦等工程名称提名上，也体现在图形标识的创作设计中，更反映在每一作品简要说明的字里行间。有提名工程名称为“星火”，说明来源于“星星之火、可以燎原”论断，既蕴含有“火星”的含义，又展示着中国航天不断发展壮大、建设航天强国的美好未来。有以五星、国旗、长城、中国地图等作为作品元素，以龙飞凤舞、龙凤呈祥、大红灯笼作为美好愿景，以创作的作品凸显其科学创新、锐意进取、勇于攀登、追求卓越的时代精神风貌。更多提交作品的留言，突出了中国人的自信与自豪，传达了对明天的期待与期望，彰显了坚持创新驱动、勇攀科技高峰的决心，表达了对实现中国梦、航天梦的美好祝福！10

形象大使2016年10月10日，探月与航天工程中心宣布，将邀请郎平、刘慈欣、姚明、谭盾、TFBOYS等11位社会文化艺术名人为中国火星探测工程宣传推广代言。这是中国重大科技工程首次启用形象大使。11

2017年1月16日，著名钢琴演奏家郎朗正式成为中国火星探测工程全球征集的宣传推广形象大使。10

外国探测任务1962年11月，苏联发射“火星1号”探测器，在飞离地球1亿公里时与地面失去联系，从此下落不明，它被看作是人类火星探测的开端。

1965年7月，美国“水手4号”飞近火星，从距离火星1万公里处拍摄了21幅照片。

1972年，美国“水手9号”飞船沿火星外层空间轨道飞行，成为火星的第一颗人造卫星，环绕火星轨道进行长期考察。

1974年，苏联“火星6号”和“火星7号”探测器在火星着陆，探测结果没有公布。

1998年7月，日本发射“希望”号火星探测器，但以失败告终。

2001年4月，美国发射“奥德赛”号火星探测器，发现火星表面可能有丰富的冰冻水。

2003年6月，欧洲宇航局的第一个火星登陆器“猎兔犬2号”及其搭乘的“火星快车”探测器由俄罗斯火箭发射升空，“猎兔犬2号”登陆火星后与地面失去联系。

2003年6月，携带“勇气”号火星车的美国“火星探测流浪者”号探测器升空。次年1月“勇气”号火星车在火星表面成功着陆。

2008年，美国“凤凰”号探测器成功登陆火星，后失去联系。

2011年11月，俄罗斯“福布斯-土壤”火星探测器及其搭载的“萤火一号”火星探测器发射失败。

2011年11月26日23时2分，美国“好奇号”火星探测器发射成功，顺利进入飞往火星的轨道。

2012年8月6日， 美国“好奇号”火星探测器成功降落在火星表面，展开为期两年的火星探测任务。

2013年11月5日，印度“曼加里安”(Mangalyaan)火星探测器从印度萨迪什亚万发射场成功发射升空。2014年9月24日上午10点30分左右成功进入火星轨道。

2014年9月22日10时25分，美国“火星大气与挥发演化”(MAVEN)探测器经过10个月的漫长航行，成功进入绕火星运行的轨道。6